王晓慧,张艳梅,于浩强,李良波,孟平蕊

(济南大学化学与化工学院,山东济南250022)

0 前言

分子印迹技术(molecular imprinting technique,MIT)是20世纪末出现的一种制备具有选择性和记忆效应的识别材料的技术。1949年, Dickey[1]首先提出了“分子印迹”这一概念,随后1973年Wulff等[2]首先成功合成了对糖类化合物有较高选择性的共价型有机分子印迹聚合物,使这方面的研究有了突破性进展。但其在分子识别领域的应用并没有展开,直到1993年Mosbach等在《Nature》上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的研究报道[3],分子印迹技术才迅速发展,在全世界范围内得到了广泛的研究与应用。

1 分子印迹基本原理

分子印迹聚合物的合成试剂主要包括功能单体、模板分子、交联剂、引发剂、溶剂(致孔剂)等。首先,模板分子与功能单体通过共价键或非共价键作用,结合形成功能单体——模板分子复合物。然后加入交联剂,在引发剂及溶剂的作用下,将功能单体互相交联起来形成共聚物,从而使功能单体的功能基团在空间排列和空间定向上固定下来。然后通过洗脱作用移除模板分子,这样就在共聚物中留下一个与模板分子在空间结构上完全匹配,并含有与模板分子专一结合的功能基的三维空穴。这个空穴的空间结构和功能单体的种类是由模板分子的结构和性质所决定的。

由于不同模板分子的分子印迹聚合物具有不同的结构和性质,所以一种印迹聚合物只能与一种分子结合,也就是说印迹聚合物对该分子具有专一结合作用。分子印迹聚合物的形成及与模板分子重新结合过程,如图1所示[4]。

图1 分子印迹聚合物的形成及与模板分子重新结合示意图Fig.1 Schematic representation of the generation of molecular imprinted polymer

2 分子印迹聚合物的制备

近年来,分子印迹聚合物(molecular imprinted polymer,MIP)的制备及其相关研究有了很大进展,印迹环境从有机相到水相,从小分子到大分子,从块状到微球,后来又报道了纳米球[5]和纳米线[6]。采用的聚合方法包括本体聚合、沉淀聚合、悬浮聚合、表面印迹等。

2.1 本体聚合

本体聚合是最常用和最早使用的聚合方法。这种方法操作简单,实验条件要求不高,得到的聚合物有很好的“记忆功能”,对印迹分子有比较满意的选择性和识别特性。但其后续处理过程繁杂,反应得到的块状聚合物需要经粉碎和研磨;研磨过程中会不可避免地产生一些不规则粒子和大量的过细粒子。这些过细粒子需经过沉降除去,因而费时费力,使产量大大降低,通常小于50%,不宜大规模生产;而且由于网络交联度过高,导致模板难以洗脱[7]。

2.2 沉淀聚合

沉淀聚合法又称均相溶液聚合法,主要制备球状的聚合物。反应原理是:在低浓度的聚合反应中,通过低聚物的团聚成核,并捕捉其他低聚物和单体逐渐长大成为粒径均一的微球聚合物[8]。该聚合反应所使用的功能单体、交联剂和引发剂可溶,但产生的聚合物微球不溶而沉淀,可制备不同级别粒径的单分散性聚合物微球。Mosbach等人运用这种方法成功地在乙腈中印迹了17-雌二醇,所得球形印迹聚合物平均粒径0.3μm[9]。

2.3 悬浮聚合

悬浮聚合是制备聚合物微球的较简单和常用的方法,是由Mayes[10]提出的。该法通常使用的单体是疏水性的,所以连续相常用水或高极性的有机溶剂。但对于分子印迹聚合物的合成而言,这些溶剂是不适宜的。因为高极性溶剂会干扰模板分子和功能单体的非共价键作用,从而影响聚合物对印迹分子的识别能力。Matsui J等人[11]采用疏水的三嗪莠去津为模板分子,水中悬浮聚合得到了球形分子印迹聚合物。由于他们采用的模板分子难溶于水,不易受到水相的影响,所以取得了很好的印迹效果。

2.4 表面印迹

表面印迹大多数是基于硅胶,主要有沉积法、牺牲骨架法、接枝共聚法、溶胶-凝胶法、固定模板法等。表面印迹聚合物制备方法,详见表1[12]。

表1 表面印迹聚合物制备方法Tab.1 Synthetic methods of surface molecular imprinted polymer

由于载体具有较高的孔度和表面积,因而选择表面印迹方法,可以使底物较易接近活性点;而且,这种方法还可以单独改变载体树脂的交联度或对孔结构进行调整,可以合成小粒径及窄分布的载体。这类材料应用于色谱柱中的固定相,具有低压高流速的特点[8]。

3 分子印记聚合物的应用

由于MIP具有卓越的分子识别性、预定性和实用性,MIP在固相萃取、传感器、免疫分析、催化剂、膜技术等领域应用广泛,成为新世纪最具潜力的新材料之一。

3.1 固相萃取(SPE)

传统的固相萃取是利用被分离组分与吸附剂间的物理或化学作用力不同进行分离的,被分离组分与吸附剂间的作用力是非特异性的,缺乏专一性。而MIP固相萃取,被分离组分与吸附剂的作用力具有特异性,回收率显著提高。Jiang等[13]以硅胶为载体,3-氨丙基三甲氧基硅烷为功能单体,四乙氧基硅烷为交联剂,将表面分子印迹技术与溶胶-凝胶相结合制备了双酚A的MIP,并对其进行了表征。MIP-SPE对水样中的双酚A进行了检测,并用高效液相色谱测定,回收率高于99%。与传统的SPE相比,该方法选择性高,回收效果也好。分子印迹在SPE方面应用很广,且发展很快。但是MIP用作SPE固定相分离样品组分仍不尽人意,主要存在非特异性吸收,以及由于模板分子去除不完全导致的模板分子泄漏等问题[12]。

3.2 传感器

分子印迹聚合物敏感材料与大多数的生物敏感材料相比,具有耐高温、高压、酸、碱和有机溶剂等,不易被生物降解破坏,可多次重复使用,易于保存,较易获得等优点。因此,分子印迹聚合物有望成为取代生物材料的理想替代品。

分子印迹聚合物的特点是对模板分子具有高度的选择性。当MIP与模板分子结合时,产生一个物理或化学信号,转换器将此信号转换成一个可定量的输出信号,通过监测输出信号实现对待测分子的实时测定。Piletsky等[14]首次报道了以烯丙基胺和乙烯基苯基硼酸为功能单体,甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂,采用自组装和预组织结合的方法制备出检测硅酸的荧光型分子印迹聚合物传感器。检测范围为0.5～10μmol/L,40 min内频率响应达到稳定,灵敏度高,且选择性好。Dhana等[15]利用电聚合法把肌酐印迹聚合物的二甲基甲酰胺溶液涂覆在悬汞电极的表面,制得了肌酐印迹聚合物传感器。该传感器具有高选择性,对氯化钠、肌酸、葡萄糖、苯丙氨酸等干扰物质没有响应,选择性测定了人体血清中的肌酐,检出限为1.49 ng/mL,印迹因子高达9.4,结果表明该方法简单、快速且准确。

3.3 免疫分析

MIP用于免疫分析,克服了抗体的许多缺陷,如抗体再生性较差,不易得到,受环境影响比较大等。Kim等[16]以双酚A和牛血清蛋白交联制备了双酚A的多克隆抗体,建立了定量测定水样中双酚A的竞争性酶联免疫吸附方法。检测范围在2～1000 ng/mL,回收率范围为96.3%～107.2%。该方法稳定,且无意外蛋白干扰。分子印迹酶标记免疫分析灵敏度较高,应用广泛。然而,免疫分析通常要求在水溶液中进行。当MIP在水环境中时,溶液中的水分子将减弱MIP的识别位点与目标分子之间的氢键作用;增加有机溶剂的用量可以使MIP的识别能力增强,但高浓度的有机溶剂又将影响酶标物中酶的活性。因此,这是分子印迹-免疫分析方法所面临的难点[12]。

3.4 催化剂

根据分子印迹聚合物具有的特定取向性质,利用分子印迹技术将催化基团引入到聚合物内部来制备模拟酶。印迹所使用的模板分子主要有底物类似物、过渡态类似物和产物类似物等。Shea等人[17]以乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,甲基丙烯酸甲酯为功能单体,DMF为致孔剂,通过本体聚合制备了苯丙二酸分子印迹聚合物。用该聚合物催化4-氟-4(对硝基苯)丁酮的脱HF反应,反应速率比没有催化剂的增大8.6倍。

3.5 膜技术

膜分离技术具有高效、低能耗、过程简单、操作方便等优点,已成为分离技术领域的研究及应用热点之一。第一代超滤、微滤、反渗透膜已经发展得比较成熟,在水质净化、海水淡化、污水处理等方面已经商业化。上世纪80年代,开发的第二代渗透汽化分离膜,也在以乙醇脱水为代表的有机物脱水方面实现了工业化。本课题组曾合成了系列PVA基改性聚电解质渗透汽化膜分离材料,对醇水体系取得了良好的分离效果[18-20]。

然而,现有的膜技术均无法实现特定物质的选择性分离。作为第三代膜技术——MIP膜技术将使目标分子从结构类似的复杂混合物中实现特定分离。MIP膜对目标分子具有特异性吸附,通透量大,处理能力强,且比一般生物材料更稳定,抗恶劣环境能力更强,在分离和分析等领域具有广阔的应用前景[21]。1996年,Piletsky等[14]最早将分子印迹聚合物应用于膜分离。他们以腺苷酸为模板,以2-(N,N′-二乙基)氨基甲基丙烯酸乙酯为单体制备了MIP膜。随后,研究者对分子印迹膜技术进行了大量的研究。Sergeyeva等[22]通过光引发原位聚合法制备了除草剂莠去津的MIP膜。通过在聚合物中添加低聚氨酯来优化膜的机械强度和孔隙率,使该分子印迹膜的吸附容量达到空白膜的20倍。MIP膜还以其良好的操作稳定性和识别性已经广泛应用于手性物质的拆分、固相萃取和生物提取等很多方面。然而,在中药有效成分的分离方面还未见报道。

4 展望

MIT经过近十多年的发展,其优良的性能以及对目标物的特异性吸附,使其在很多领域得到了广泛应用。但是MIT还存在诸多有待改进的地方,如制备和应用环境从有机相向水相过渡、从非极性溶剂转向极性溶剂;功能单体和交联剂的种类有限;聚合方法也不完善;合成新型功能单体和交联剂;探索新的合成方法;模板分子的快速去除方法等都是未来的发展方向。此外,由于植物成分的复杂性,现有的吸附分离技术很难实现分子结构相似的天然药物有效成分的分离。因此,利用MIT分离提纯中药有效成分也是一个很有潜力的研究方向。

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